卫星双向法时间频率比对技术研究

2017-03-21

卫星双向时间频率传递（TWSTFT）技术是目前准确度较高的远距离时间频率比对方法之一，不但应用于时间传递，也应用于原子喷泉钟和氢钟之间的精密频率比对。在国家质检总局科技计划项目和中国计量院科研项目资金的支持下，中国计量科学研究院团队深入研究卫星双向时间频率传递技术，建立了具有国际先进水平的卫星双向时间频率比对系统；通过相移键控技术将伪随机噪声码调制成射频信号进行时间信号发射和接收，实现了时间频率信号通过地球同步通信卫星的高准确度高稳定度传递；详细分析不确定度来源，将比对不确定度降低在E-15量级；提出利用卫星双向法进行频率标准比对不确定度评定方案；实现了利用GPS方法对卫星双向比对链路的校准。系统建成后加入欧亚比对链路，长期连续稳定运行，实现了国际计量院与欧亚多家实验室的直接比对，比对数据报送至BIPM并被用于国际原子时计算。比对结果表明，中国计量院卫星双向比对系统技术指标达到了国际先进水平，彻底解决了国家时间频率基准比对手段单一及喷泉钟无法进行直接国际比对的难题。 

该项目发表论文10篇，其中，SCI/EI收录4篇；起草国家军用标准1部；培养硕士研究生4人。项目由中国计量科学研究院承担完成，主要完成人有张爱敏、高源、杨志强、梁坤、高小珣、王伟波、宁大愚、张越、赵科佳。

 一、主要技术创新 

（一）建设了具有国际先进水平的卫星双向时间频率比对系统，实现了比对不确定度在E-15量级的国际比对

卫星双向时间频率比对系统包括卫星地面站、信号调制解调系统及数据存储采集处理系统。系统庞大复杂，建设难度大，项目组对方案进行了认真研究，详细分析了不确定度来源，最终在昌平试验基地通过相移键控技术将伪随机噪声码调制成射频信号进行时间信号发射和接收，实现了时间频率信号通过地球同步通信卫星的高准确度高稳定度传递。比对结果表明：计量院卫星双向时间频率传递系统运行稳定，日频率稳定度优于5E-15，日平均时差标准偏差优于0.5ns。

（二）利用GPS时间频率传递接收机实现对TWSTFT链路的校准 

对比对链路进行校准是进行时间传递的关键，对TWSTFT链路进行校准通常采用的方法是移动地面站或模拟器，对于欧亚比对实现难度极大。项目组与参加欧亚卫星双向比对的德国PTB实验室合作，采用一台GPS时间频率传递接收机对TWSTFT系统进行了校准。首先对中国计量科学研究院的一台高精度GPS时间频率传递接收机进行校准，然后再使用该GPS传递接收机与TWSTFT系统同时与PTB进行时间频率比对实验，最后处理比对数据完成对卫星双向系统和传递链路的校准，得到该链路卫星双向时间频率传递系统与GPS系统的时差为1 648ns，链路校准不确定度小于5ns。该校准结果在2014年BIPM 组织的链路校准行动中得到了验证。 

（三）提出利用卫星双向法进行原子频标比对时不确定度评定方案 

对于高准确度的原子频标的比对，不确定度的评定特别关键，直接影响到比对结果的可信程度。项目组综合国际先进经验，提出新的不确定度评定方案，利用TWSTFT与GPS数据的双差结果并进行扩展得到比对链路不确定度。该方案应用于欧亚喷泉钟比对，取得圆满成功，表1是比对结果。

（四）创新性设计解决了卫星双向比对过程中收发信号干扰问题，保证了比对过程信号的连续锁定；实现了系统自动监控和数据实时处理 

利用卫星双向法进行远程时间和频率比对，不确定度分别可达到纳秒量级及E-15量级。在如此高准确度高稳定度的比对过程中，任何干扰都会引起比对不确定度的降低。卫星双向系统运行了一段时间后，系统信号失锁，无法接收信号，项目组经过认真分析与大量试验，确定问题源自发射信号与接收信号互相干扰。项目组创新性地设计了系统滤波方案，成功解决了信号干扰问题，为系统正常运行提供了保障，也为其他卫星双向系统提供了可借鉴的经验。 

卫星双向比对过程中，系统自动记录大量原始数据，这些数据需要与参考延迟、气象数据结合并经过误差消除、二次拟合等处理后才能满足BIPM的要求。项目组根据国际电信联盟（ITU）国际建议研制开发了数据处理上报软件，实现了NIM卫星双向比对数据自动采集、实时分析、自动监测、向BIPM 的自动报送等功能。

二、成果应用情况 

2013年1月，项目组利用项目成果建设了第二套卫星地面站，与中国人民解放军标准时间频率中心建立了卫星双向比对链路，进行了比对实验并取得成功。该比对链路的建立可使中国计量科学研究院保持的国家时间频率基准UTC(NIM)与解放军军用标准时间进行直接比对，使军用标准时间和北斗时间通过UTC（NIM）溯源至协调世界时UTC，解决了军用标准时间无法直接进行国际溯源的问题。2015年计量院正式开展了与解放军标准时间频率中心的卫星双向比对，为北斗建设提供了重要技术支撑。 

2013年5月，中国计量科学研究院（NIM）主导了欧亚铯原子喷泉钟的国际比对，比对采用的技术手段为卫星双向时间频率传递法及GPS载波相位法。参比实验室包括德国国家计量院PTB、俄罗斯国家计量院VNIIFTRI（SU）、中国国家计量院NIM及印度国家计量院NPLI，参比铯原子喷泉钟6台。这是国际上首次欧亚多台铯原子喷泉钟比对，也是我国的铯原子喷泉钟首次通过卫星双向时间频率传递方法及GPS载波相位法直接进行国际比对，NIM负责全部比对数据的处理。比对结果表明：所有喷泉钟的相对频率偏差在1.0E-16～1.8E-15范围内，标准不确定度在1.0E-15～3.3E-15范围内。比对取得圆满成功。　　

2012年10月，国家时间频率基准原子时标UTC（NIM）正式切换至昌平实验基地，卫星双向比对系统的参考源同期切换至UTC（NIM），从此，NIM通过GPS与TWSTFT两种比对方式参加国际原子时合作，TWSTFT数据被BIPM采用进行国际原子时计算，UTC（NIM）的A类不确定度由0.7ns降为0.3ns，为UTC（NIM）进入国际先进行列提供了技术保障。 

三、社会效益

时间频率是关系到国防建设和国民经济的一个十分重要的物理量，是提高自主创新水平、维护国家安全的重要技术手段和基础保障，是反映一个国家战略竞争力的重要标志之一。该项目建设了具有国际先进水平的卫星双向时间频率比对系统，有效补充了国家时间频率基准的传递手段，摆脱了对GPS的依赖，降低了比对不确定度；具备了铯喷泉钟的国际比对能力，提高了我国时间频率研究的整体水平；为北斗卫星导航系统直接提供技术支撑，为国内组建卫星双向时间频率比对网络奠定了基础，对于建立我国独立自主的时间频率体系具有重要意义。